近日公開：3Dプリントされたコアを備えた原子炉

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テラニ氏と彼の同僚たちはこれに取り組んでいる。オークリッジチームは最近、トランスフォーメーショナル・チャレンジ・リアクター（TCR）の心臓部となる3Dプリント・コアの予備設計を完成させた。リアクターの大部分は従来型の部品で作られるが、コアは完全に炭化ケイ素から3Dプリントされる。炭化ケイ素は極めて頑丈な材料で、溶解することはほぼ不可能だ。円筒形のコアは鈍い金属銀色で、その中心には不規則な九角形燃料集合体がいくつか配置されている。ここが原子炉のすべての魔法が起こる場所だ。ウラン燃料と核分裂反応を制御する部品を保持する役割を担っている。オークリッジで設計・プリントされたコアの高さは1フィート半にも満たず、ビール樽ほどの大きさのリアクターに設置される。しかし、2023年に稼働開始すれば、最大3メガワットの電力を発電し、1,000世帯以上の平均的な家庭のエネルギー需要を満たすことができるとテラニ氏は述べている。

TCRは、冷却剤としてヘリウムを使用する先進的なガス冷却炉です。一方、現在米国で稼働中のほとんどの原子炉は水を使用しています。ガス冷却炉は非常に高温（この原子炉は約1,200°F）で稼働するため、燃料効率が非常に高く、テラニ氏によると、原子炉の炉心を3Dプリントすることで、さらに効率を高めることができるとのことです。さらに、従来の機械加工技術では、原子炉の炉心設計に制約が生じます。オークリッジの炉心における複雑な冷却チャネル網は、従来の機械加工技術では対応できないほど細く曲がりくねっています。しかし、3Dプリンターは金属を層ごとに融合させて造形するため、エンジニアはこれまで不可能だった炉心設計を実現できます。

「もう退屈な形状に縛られることはありません」とテラニ氏は言う。「どれも同じようなものを並べるのではなく、コア全体の設計を変えることで、システムを環境に合わせて変化させることができるのです。」

3Dプリンティングは、原子炉が稼働し始めた後、原子炉内部で何が起こっているかを原子力技術者がより正確に把握する上でも役立ちます。従来の原子炉では、原子炉の挙動は外部から監視する必要がありました。しかし、3Dプリンティングによって可能になった新しい設計では、原子炉から直接データを提供する埋め込みセンサーが可能になります。さらに、3Dプリンティングは原子力技術者に製造プロセスをより細かく制御する能力も提供します。TCR炉心の各部品の印刷には8時間から24時間かかりますが、テラニ氏によると、炉心全体の印刷は数週間で可能です。印刷中は、マシンビジョンアルゴリズムが赤外線カメラやその他のセンサーからデータを取り込み、印刷中に欠陥が発生していないかを判断します。

しかし、テラニ氏が最大のゲームチェンジャーと見ているのは、その先に何が起こるかだ。従来の原子炉用の部品を作るには、費用がかかり時間のかかる認証プロセスを経なければならない。どれほど費用がかかるのだろうか？テラニ氏によると、原子力システム向けに特別に認証されていたため、ボルト1本に2万ドルも支払わなければならなかった原子力発電所があるという。（具体的な発電所名は明かさなかった。）

「原子炉の炉心における新しい構造部品において、最も費用と時間のかかるステップの一つは、その部品の認定費用です」と、テネシー大学ノックスビル校の原子力エンジニア、ニコラス・ブラウン氏は述べています。「通常、このプロセスには数十年かかり、数百万ドルから数十億ドルの費用がかかります。」ブラウン氏によると、新しい部品のコストがこれほど高額になるのは、その認定には通常「クック・アンド・ルック」と呼ばれるプロセスが含まれるためです。つまり、新しい部品を試験炉に入れて性能を確認し、エンジニアはこのデータに基づいて部品に変更を加え、性能が期待通りになるまでこのプロセスを繰り返すのです。原子炉技術自体と同様に、それらの使用認定プロセスも1970年代から停滞しています。

テラニ氏は、3Dプリント部品から生成される膨大なデータによって認証プロセスが迅速化され、原子炉の稼働開始コストが削減されることを期待している。手のひらサイズの3Dプリント部品から、部品の品質に関する数百ギガバイトの情報を簡単に生成できるという。欠陥があればデータに現れるため、超音波などの高価な検査を使わなくても済む。しかし、オークリッジ国立研究所の研究者たちは、3Dプリンターによって生成される膨大なデータを人間がふるいにかけるのではなく、そのデータを使って部品を検証する機械学習アルゴリズムをトレーニングしている。「いったん部品を作ってしまえば、戻って何ヶ月もかけて認証する必要はありません」とテラニ氏は言う。「部品を作り終えた瞬間を想像してみてください。AIがその良し悪しを判断してくれる。それが夢です」。

TCRのガス冷却システムは、基本的に世界初の連続運転用原子炉であるX-10の強化版です。1940年代初頭にオークリッジ原子力発電所で建設されたX-10は、着工からわずか9ヶ月で初稼働しました。現在米国で建設中の唯一の原子炉の完成までには少なくとも12年かかると予想されていることを考えると、これは驚異的なペースです。テラニ氏は、3Dプリンティング、人工知能、その他の新技術によって、この急速な開発と導入のペースが原子力産業にも戻ってくることを期待しています。

「原子力だけが、新技術を導入しない産業であってはなりません」と彼は言う。「私たちは、この国で原子力発電の扉を開き、先進的な技術を導入したいと考えています。」

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